基于阻变存储器的物理不可克隆函数设计

物理不可克隆函数(PUF)将集成电路制造过程中产生的工艺变化作为一种安全原语,已被广泛应用于硬件安全领域,特别是身份认证和密钥存储。提出了一种基于阻变存储器(RRAM)阵列的PUF优化设计,采用2T2R差分存储结构,并利用阵列中RRAM单元的阻值变化产生PUF的随机性,以实现更高安全级别所需的大量激励-响应对(CRP)。RRAM PUF的存储单元基于28 nm工艺实现,其面积仅为0.125μm~2,相比传统PUF存储单元面积开销减小,在入侵和侧信道攻击方面具有更好的鲁棒性。实验数据表明,RRAM PUF唯一性达到了约49.78%,片内汉明距离为0%,一致性良好,具有较好的随机性。

基于阻变效应非挥发性存储器的研究概述

随着半导体技术节点的推进,传统的半导体存储技术已经满足不了人们对便携式信息产品的要求。阻变式存储器(RRAM)作为一种新的存储技术,其器件具有结构简单、与CMOS工艺兼容、可高密度集成以及快速存储等优势,引起人们广泛的研究兴趣并成为国内外研究的热点领域。就目前RRAM器件的研究现状,从RRAM器件的基本工作原理、微观物理机制、实际应用所遭遇的挑战以及新型RRAM器件等方面进行了简要评述。

退火温度对Ag/VO_x/Al阻变存储器性能的影响

阻变存储器(RRAM)是下一代最有潜力的非易失性存储器。利用磁控溅射、电子束蒸发和离子束溅射方法制备了一种Ag/VO_x/Al结构的RRAM。使用半导体参数分析仪(Agilent B1500A)测试了器件的电学特性,器件具有双极阻变特性。器件的高阻态的传输机制为空间电荷限制电流(SCLC)机制,低阻态的传输机制为欧姆机制,器件的阻变机制为金属导电细丝机制。研究了不同退火温度(150~300℃)对Ag/VO_x/Al器件阻变性能的影响。研究表明,不同退火温度不仅会影响VO_x薄膜的表面形貌与晶面组成,而且会影响器件的电学性能,在退火温度为200℃时器件的阻变窗口最大,而在300℃时器件的耐久性最优秀。适当的退火温度有益于改善器件的阻变性能。

一种基于阻变单元特性的阻变存储器修复方案

针对新型阻变存储器(RRAM)工艺良率不高的问题,提出了一种新型的修复解决方案,该方案基于阻变单元的特殊性能,即初始状态为高阻,经过单元初始化操作过程后转变为低阻。利用这样特性的阻变单元作为错误检测位、冗余单元作为修复位,提出了三种不同的组织结构来实现修复操作。三种结构由于主存储器、检验位存储器及冗余存储器的组织方式不同,达到了不同的冗余存储器利用率。最后,通过数学分析可以证明,该方案在利用了较少冗余存储器的条件下,可以将阻变存储器的错误率普遍降低10～30倍,实现了较好的修复效果。

Cu_xSi_yO阻变存储器单粒子和总剂量辐照效应

对CuxSiyO结构的阻变存储器(RRAM)进行了总剂量(TID)以及单粒子辐照(SEE)实验。总剂量实验中,1T1R样品分别接受总剂量为1,2和3 k Gy(Si O2)的60Coγ射线辐射。样品中没有出现低阻在辐照后翻转的现象。单粒子辐照实验中,16 kbit RRAM阵列样品分别接受线性能量转移(LET)值最高达75 Me V的4种离子束的辐射。样品中没有出现低阻在辐照后翻转的现象。除一组无翻转外,存储单元的高阻到低阻的翻转率皆在0.06%左右。实验结果证实了RRAM中已经形成的导电通道不会受辐照影响,因此不存在低阻翻转为高阻的现象。

不同工艺下操作算法对阻变存储器可靠性的影响

通过测试不同工艺条件下的导电丝形成算法与低阻阻值分布、烘烤失效率等的关系,研究了阻变存储器(RRAM)单元导电细丝形成过程对可靠性的影响,进一步对导电细丝形成过程的模型进行了优化。实验表明,随着脉宽的增大,操作电压幅值降低、成功率提高、烘烤失效率降低,进一步增加脉宽,烘烤失效率大大增加。通过比较不同工艺,发现在烘烤失效率降低时的脉宽条件(1 ms)下,氧化时间短、氧化功率大并且无退火条件的失效率高;而在烘烤失效率增加时的脉宽条件(10 ms)下,氧化时间短、氧化功率大并且无退火条件的失效率低。研究结果为设计RRAM单元操作算法提供了优化方向,同时通过对不同条件下RRAM单元可靠性的比较,优化了工艺配方。

基于28 nm RRAM的可重构真随机数发生器

基于阻变存储器(RRAM)电流饥饿型环形振荡器的真随机数发生器(TRNG)方案,提出交替读写的操作模式,优化熵源重构机制.针对现有RRAM在多操作周期下跨导线性化问题,提出熵可配置电阻窗口钳位电路.通过减小电阻窗口获得RRAM非线性的最大化,所提电路能够有效避免RRAM出现过度置位、过度复位的现象,保证熵源稳定性.基于UMC 28 nm HKMG工艺对TRNG进行流片.输出数据统计性测试结果通过了NIST SP800-22所有测试集的真随机数标准测试.检测结果表明,在高斯分布的95%置信区间,所有统计数据的自相关函数值均落在-0.003~0.003,输出序列具有良好的随机性.

一种基于斯坦福RRAM模型的参数提取方法

阻变随机存取存储器(RRAM)是一种新型非易失性存储器件,比主流的闪存(Flash)器件具有更快的读/写速度、更低的编程电压和功耗。然而由于工艺不成熟等因素,RRAM准确的器件模型需要在已有的斯坦福物理模型基础上,对多达6个曲线拟合参数反复进行调整,具有一定的建模难度。提出了一种简并参数的建模方法,通过器件实测数据计算出其中4个曲线拟合参数I_(0)、g_(0)、γ_(0)、β。该方法大大降低了将物理模型适配为实际模型的建模难度,且由于基于实测数据,该建模方法理论上对不同工艺具有适配性。最后在不同工艺条件下制作了基于HfO_(x)材料的RRAM器件,并验证了该方法的有效性、先进性和准确性。

用于高密度RRAM单端式可编程灵敏放大器设计

针对现代科技生活中对高密度阻变存储器(RRAM)的应用需求,提出了一种单端式可编程灵敏放大器结构。该灵敏放大器结构无需额外的参考电路,从而避免了参考电流受工艺、温度等条件波动对读出结果的影响。通过在电路中引入可编程模式,使该灵敏放大器结构能够有效克服工艺偏差对存储单元能否正确存储信息的影响,从而实现存储信息的正确读出。该灵敏放大器基于HHNEC 0.13μmCMOS工艺设计实现,并且成功应用于8 Mbit RRAM设计中,通过后仿真验证,结果表明,在2～32μA电流范围内,灵敏放大器最小分辨率可达1μA。

基于RRAM PUF的轻量级RFID认证协议

针对当前轻量级的射频识别(RFID)加密方案信息防护手段有限的问题,结合由阻变存储器(RRAM)构成的物理不可克隆函数(PUF),提出了一种新型的轻量级RFID双向认证协议。利用多级响应加密机制实现阅读器与标签之间的安全认证处理。结合RRAM PUF模型,采用了特殊的纠错处理方法提高PUF响应的可靠性并阻止了信息泄露。此外添加了密钥更新机制和异常攻击标识,抵御了追踪攻击和去同步攻击等威胁。经仿真、分析和对比结果表明,该协议可以有效抵抗多种攻击手段,具有较高的安全性和较低的计算成本。

RRAM的氧空位与金属细丝机制SPM的比较

应用扫描探针显微镜(SPM)技术实现了氧化物阻变薄膜局部区域高低阻态的互相转变。通过电激励、编程和擦除等操作,控制细丝的产生和断裂,实现了阻变薄膜局域的重复编程/擦除操作。用该方法分别研究了氧空位机制与金属导电细丝机制的氧化物薄膜的阻变特性,对两种机制做了对比研究。结果表明:在阻变存储器(RRAM)中氧空位机制在导电细丝和数据密度方面要高于金属细丝机制。同时,金属细丝机制阻变薄膜部分区域因编程/擦除操作发生了永久性形貌变化,可能对阻变器件的电极产生永久性破坏,这说明氧空位机制阻变薄膜在未来的高密度存储上具有较好的应用前景。

1T1R结构RRAM的故障可测性设计

阻变随机存储器（RRAM）中存在的故障严重影响产品的可靠性和良率。采用精确高效的测试方法能有效缩短工艺优化周期,降低测试成本。基于SMIC 28 nm工艺平台,完成了1T1R结构的1 Mbit RRAM模块的流片。详细分析了测试中的故障响应情况,并定义了一种故障识别表达式。在March算法的基础上,提出针对RRAM故障的有效测试算法,同时设计了可以定位故障的内建自测试（BIST）电路。仿真结果表明,该测试方案具有占用引脚较少、测试周期较短、故障定位准确、故障覆盖率高的优势。

增强RRAM可靠性的热通量压缩算法

为提高阻变存储器(RRAM)的可靠性,研究了RRAM中的热串扰问题,提出了一种热通量压缩(TFC)算法,通过在RRAM读写电路之前加入TFC算法,降低在RRAM中产生的焦耳热,从而减弱RRAM中的热串扰问题,提高RRAM的可靠性。TFC算法通过分析计算写入数据流产生的真实焦耳热热量进而判断是否对写入数据流进行翻转编码,即TFC算法会在原始写入数据流和翻转编码数据流二者中选择热通量较小者通过算法层,从而达到减小RRAM存储器中焦耳热热量的目的。理论分析和仿真结果表明:以字节为单位数据块条件下TFC算法平均可降低30%以上的写入焦耳热,阻变单元的保持时间估值平均增加了35%以上。

掺杂技术对阻变存储器电学性能的改进

本文总结和分析了掺杂技术对阻变存储器性能的改善.实验上,以Cu/ZrO2/Pt器件为基础,分别使用Ti离子、Cu,Cu纳米晶对器件进行掺杂.将掺杂过的器件与未掺杂的器件进行对比,发现掺杂的作用集中在四点:消除电形成过程、降低操作电压、提升电学参数的均一性和提高器件良率.除此之外,使用掺杂还可以提升器件高阻态的稳定性和保持特性.结果表明,掺杂技术是优化RRAM电学性能的有效方法.

阻变式存储器存储机理

阻变式存储器(resistive random access memory,RRAM)是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器.它具有在32nm节点及以下取代现有主流Flash存储器的潜力,成为目前新型存储器的一个重要研究方向.但阻变式存储器的电阴转变机理不明确,制约它的进一步研发与应用.文章对阻变式存储器的体材料中几种基本电荷输运机制进行了归纳,总结了目前对阻变式存储器存储机理的理论模型.

忆阻器阻变随机存取存储器及其在信息存储中的应用

忆阻器具有依赖于激励历史的动态电阻,可以用来构造少晶体管的非易失性半导体存储器(NVSM),也称为阻变随机存取存储器(RRAM).本文提出了一种基于忆阻器的阻变随机存取存储器(MRRAM)——可与现代计算系统相兼容的纳米级二值存储器实现方案,其结构与静态随机存取存储器(SRAM)类似,但用忆阻器替代基本RS触发器存储信息.在此基础上,通过改进该MRRAM,可以实现在一个存储单元中存储多比特信息(以灰度级形式)的多值存储器,大大提高了存储密度.给出的计算机仿真和数值分析验证了本方案在存储ASCII字符和图像中的有效性,探讨了灰度图像存储的新方法.

基于第一性原理计算的ZrO_2材料的掺杂阻变特性

阻变式随机存储器(RRAM)是目前新型存储器领域的研究热点。基于ZrO2材料,选取Al和Ag作为杂质元素。采用第一性原理方法计算了掺杂条件下ZrO2中氧空位的形成能、氧空位之间的作用能等重要参量。Al(富余)掺杂下,氧空位之间的相互作用能成负值,相互吸引抱团形成导电细丝,阻变特性明显改善,氧空位主导细丝形成。这与相关的实验结果是一致的。Ag掺杂下,Ag的金属性强,氧空位之间相互作用能全为正值,相互排斥。通过模拟观察,Ag主导了细丝形成,并改善了ZrO2材料的阻变特性。

铋掺杂对SrTiO_3薄膜微观结构及阻变行为的影响

采用溶胶-凝胶及快速退火工艺在p+-Si上制备了Bi掺杂SrTiO_3薄膜,构建了Ag/Sr_(1-x)Bi_xTiO_3/p+-Si结构阻变器件,研究了Bi掺杂量对薄膜微观结构、器件阻变行为及特性的影响。结果表明:Bi掺杂量较低时并未改变Sr_(1-x)Bi_xTiO_3薄膜的相结构,但随着掺杂比例的增大,晶粒尺寸也明显增大,当掺杂量x=0.16时,有Bi4SrTi4O15及TiO2相形成;不同Bi掺杂量的Ag/Sr_(1-x)Bi_xTiO_3/p+-Si器件均呈现出双极性阻变特性,且有明显的多级阻变行为。随Bi掺杂量的增加,器件的阻变性能逐步提高,当x=0.12时器件的高、低阻态电阻比值最大,达到105左右,并且在2 000次可逆循环测试下,高、低阻态电阻比未出现衰减,表现出良好的抗疲劳特性,但当掺杂量x达到或超过0.16后,器件的性能呈下降趋势。Bi掺杂量的增大会导致器件高阻态时的导电机制从空间电荷效应(SCLC)导电机制(x<0.16)转变为肖特基势垒发射(x=0.16)。器件在低阻态下均遵循欧姆导电机制。

Cu/TiOx/Al阻变存储器激活过程的研究

为了拓展光电器件在存储领域的应用以及更深入地了解阻变机理,研究了Cu/TiOx/Al电阻式随机存储器(RRAM)的激活(forming)过程,其中TiOx为透明薄膜。利用磁控反应溅射方法,通过改变O2分压制备出具有高折射率(在可见光区域平均值约2.23)和低消光系数(在可见光区域平均值约0.004 2)的透明TiOx薄膜。通过构建Cu/TiOx/Al三明治结构验证了透明TiOx薄膜的阻变存储特性。在阻变过程中,通过调节forming电压和电流,实现了透明TiOx薄膜的阶段性forming。对不同forming阶段的I-V拟合,进一步探索透明TiOx薄膜forming过程的电子传输方式。结果表明,随着forming的发展,透明器件的传输机理发生明显改变,由肖特基发射(SE)转变为FN隧穿,直接隧穿,到最后的欧姆传输,最终实现完整的forming。揭示了TiOx薄膜应用于可见光波段光电存储器件的可行性。

Pt/Yb2O3/Pt的阻变性质

采用电子束蒸发的方法制备了Yb薄膜,对这些样品在不同条件下进行退火,得到Yb2O3薄膜。用热蒸发法在衬底和薄膜表面分别制备了Pt电极,用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌,发现随着退火时间延长和退火温度升高,薄膜的表面粗糙度增加。采用电流-电压法研究了Pt/Yb2O3/Pt结构的阻变性质。研究发现,阻变性质与制备薄膜的衬底温度和后期退火温度有直接关系。用不同的电流原理仔细分析电流性质之后发现,制备的薄膜内部有一定的缺陷,出现阻变现象,这些薄膜的缺陷态决定了阻变性质。如果选择合适的条件,Yb2O3可以作为阻变存储器薄膜。